Es gibt einige Begriffe, die im allgemeinen Sprachgebrauch Verwirrung stiften. Unter diesen Begriffen haben wir die Lumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Sind das gleiche Begriffe? Wie unterscheidet es sich und worauf bezieht sich jedes einzelne?
All das werden wir in diesem Artikel sehen, also verpassen Sie es nicht.
Was ist Lumineszenz?
Der Begriff Lumineszenz bezeichnet grundsätzlich die Emission von Licht. In unserer Umwelt emittieren die meisten Objekte Licht aufgrund der Energie, die sie von der Sonne erhalten Es ist das hellste Wesen, das wir sehen können. Anders als der Mond, der scheinbar Licht aussendet, reflektiert er in Wirklichkeit das Sonnenlicht und funktioniert ähnlich wie ein riesiger Steinspiegel. Um besser zu verstehen, wie Lumineszenz in verschiedenen Substanzen funktioniert, können Sie konsultieren der Einfluss astronomischer Phänomene auf die Lumineszenz.
Grundsätzlich gibt es drei Hauptarten der Lumineszenz: Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Chemilumineszenz. Unter diesen werden Fluoreszenz und Phosphoreszenz als Formen der Photolumineszenz klassifiziert. Der Unterschied zwischen Photolumineszenz und Chemilumineszenz liegt im Mechanismus der Aktivierung der Lumineszenz; Bei der Photolumineszenz fungiert Licht als Auslöser, während bei der Chemilumineszenz eine chemische Reaktion die Emission von Licht auslöst.
Sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz, bei denen es sich um Formen der Photolumineszenz handelt, hängen von der Fähigkeit einer Substanz ab, Licht zu absorbieren und es anschließend bei einer längeren Wellenlänge zu emittieren, was auf eine Energiereduzierung hinweist. Jedoch, Die Dauer dieses Prozesses ist sehr unterschiedlich. Bei Fluoreszenzreaktionen erfolgt die Lichtemission augenblicklich und ist nur beobachtbar, während die Lichtquelle aktiv bleibt (z. B. ultraviolettes Licht).
Im Gegensatz dazu ermöglichen phosphoreszierende Reaktionen dem Material, absorbierte Energie zu speichern und später Licht auszusenden, was zu einem Leuchten führt, das auch nach dem Erlöschen der Lichtquelle anhält. Verschwindet die Lumineszenz daher sofort, wird sie als Fluoreszenz klassifiziert; Wenn es bestehen bleibt, wird es als Phosphoreszenz identifiziert; und wenn zur Aktivierung eine chemische Reaktion erforderlich ist, spricht man von Chemilumineszenz.
Beispiele hierfür finden sich in Naturphänomenen und technologischen Anwendungen, wie zum Beispiel in fluoreszierende und phosphoreszierende Materialien. Man könnte sich beispielsweise einen Nachtclub vorstellen, in dem Stoffe und Zähne unter Schwarzlicht leuchten (Fluoreszenz), das Notausgangsschild Licht ausstrahlt (Phosphoreszenz) und Leuchtstäbe ebenfalls Licht erzeugen (Chemilumineszenz). Auch bei der Markierung von Objekten und in wissenschaftlichen Untersuchungen ist der Unterschied in der Leuchtdauer von wesentlicher Bedeutung.
Fluoreszenz
Materialien, die sofort Licht abgeben, werden als fluoreszierend bezeichnet. In diesen Materialien absorbieren Atome Energie, wodurch sie in einen „angeregten“ Zustand geraten. Sie kehren in etwa einer Hunderttausendstelsekunde (im Bereich von 10^-9 bis 10^-6 Sekunden) in ihren Normalzustand zurück und geben diese Energie in Form winziger Lichtteilchen, den sogenannten Photonen, frei.
Formal gesehen, Fluoreszenz ist ein Strahlungsprozess, bei dem angeregte Elektronen Sie gehen vom niedrigsten angeregten Zustand (S1) in den Grundzustand (S0) über. Während dieses Übergangs gibt das Elektron einen Teil seiner Energie durch Schwingungsrelaxation ab, was dazu führt, dass das emittierte Photon eine geringere Energie und folglich eine längere Wellenlänge aufweist.
Praktische Anwendungen und Beispiele zur Fluoreszenz finden Sie unter „Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten der Fluoreszenz in Wissenschaft und Technik“.
Phosphoreszenz
Um die Unterschiede zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz zu verstehen, ist es notwendig, kurz das Konzept des Elektronenspins zu untersuchen. Der Spin stellt eine grundlegende Eigenschaft des Elektrons dar und fungiert als eine Art Drehimpuls, der sein Verhalten innerhalb eines elektromagnetischen Feldes beeinflusst. Diese Eigenschaft kann nur den Wert ½ annehmen und eine Aufwärts- oder Abwärtsorientierung aufweisen. Innerhalb desselben Orbitals eines Atoms weisen Elektronen im Singulett-Grundzustand (S0) durchgängig einen antiparallelen Spin auf. Beim Übergang in einen angeregten Zustand behält das Elektron seine Spinorientierung bei, was zur Bildung eines angeregten Singulettzustands (S1) führt, in dem beide Spinorientierungen in einer antiparallelen Konfiguration gepaart bleiben. Es ist wichtig zu beachten, dass alle mit der Fluoreszenz verbundenen Relaxationsprozesse spinneutral sind, wodurch sichergestellt wird, dass die Elektronenspinausrichtung jederzeit erhalten bleibt.
Im Falle der Phosphoreszenz Der Prozess unterscheidet sich erheblich, da es sich um Übergänge zwischen Zuständen mit unterschiedlichen Spinausrichtungen handelt.. Zwischen Systemen, die vom angeregten Singulettzustand (S10) in einen energetisch günstigeren angeregten Triplettzustand (T11) übergehen, treten schnelle Übergänge (im Bereich von 10^-6 bis 1^-1 Sekunden) auf. Dieser Übergang führt zur Umkehrung des Elektronenspins; Die resultierenden Zustände sind durch parallele Spins beider Elektronen gekennzeichnet und werden als metastabil eingestuft. In diesem Fall erfolgt eine Relaxation durch Phosphoreszenz, die zu einer erneuten Umkehrung des Elektronenspins und der anschließenden Emission eines Photons führt.
Der Übergang zurück in den entspannten Singulettzustand (S0) kann nach einer langen Verzögerung erfolgen (variiert von 10^-3 bis über 100 Sekunden). Während dieses Relaxationsprozesses verbrauchen nicht-strahlende Mechanismen bei der Phosphoreszenzrelaxation mehr Energie als bei der Fluoreszenz, was zu einem größeren Energieunterschied zwischen absorbierten und emittierten Photonen und folglich zu einer größeren Wellenlängenverschiebung führt. Es ist interessant zu beobachten, wie die Unterschiede in der Atomstruktur der Materialien diese Variationen der Lumineszenzphänomene verursachen.
Anregungs- und Emissionsspektren
Lumineszenz entsteht, wenn die Elektronen einer Substanz durch die Absorption von Photonen angeregt werden und diese Energie anschließend in Form von Strahlung abgibt. In bestimmten Fällen, Die emittierte Strahlung kann aus Photonen bestehen, die die gleiche Energie und Wellenlänge haben wie die absorbierten; Dieses Phänomen wird als Resonanzfluoreszenz bezeichnet. Häufiger hat die emittierte Strahlung eine längere Wellenlänge, was auf eine geringere Energie im Vergleich zu den absorbierten Photonen hinweist.
Dieser Übergang zu längeren Wellenlängen wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet. Wenn Elektronen durch kurze, unsichtbare Strahlung angeregt werden, steigen sie in höhere Energiezustände auf. Bei der Rückkehr in ihren ursprünglichen Zustand emittieren sie sichtbares Licht mit derselben Wellenlänge, was ein Beispiel für Resonanzfluoreszenz ist. Diese angeregten Elektronen können jedoch auch auf ein mittleres Energieniveau zurückkehren, was zur Emission eines leuchtenden Photons führt, das weniger Energie trägt als die ursprüngliche Anregung. Dieser Prozess, Wenn es durch ultraviolettes Licht induziert wird, manifestiert es sich im Allgemeinen als Fluoreszenz im sichtbaren Spektrum. Bei phosphoreszierenden Materialien gibt es eine Verzögerung zwischen der Anregung von Elektronen auf hohe Energieniveaus und ihrer Rückkehr in den Grundzustand.
Interessant ist, dass Intensität und Farbe des emittierten Lichts von der Substanz und der Anregungswellenlänge abhängen, was für die Entwicklung fluoreszierender und phosphoreszierender Materialien von entscheidender Bedeutung ist. Die Beziehung zwischen Anregungs- und Emissionswellenlängen, bekannt als Anregungs- und Emissionsspektren, ist der Schlüssel zum Verständnis, wie und wann diese Phänomene auftreten.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Emissionswellenlänge nicht von der Anregungswellenlänge abhängt, außer in Fällen, in denen Substanzen über mehrere Lumineszenzmechanismen verfügen. Folglich zeigen Mineralien unterschiedliche Fähigkeiten, ultraviolettes Licht bei bestimmten Wellenlängen zu absorbieren; Einige fluoreszieren unter kurzwelligem ultraviolettem Licht, während andere unter langem Wellenlängenlicht fluoreszieren und einige zeigen undeutliche Fluoreszenz. Die Farbe des emittierten Lichts variiert häufig erheblich mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen.
Das Auftreten dieser Phänomene ist nicht nur auf die Verwendung ultravioletter Strahlung beschränkt; Vielmehr kann die Anregung durch jede Strahlung mit der entsprechenden Energie erfolgen. Zum Beispiel, Röntgenstrahlen können in verschiedenen Substanzen Fluoreszenz auslösen, von denen viele auch auf verschiedene Arten von Strahlung reagieren. Magnesiumwolframat beispielsweise zeigt eine Empfindlichkeit gegenüber fast der gesamten Strahlung mit Wellenlängen unter 300 nm, was sowohl das Ultraviolett- als auch das Röntgenspektrum umfasst. Darüber hinaus können bestimmte Materialien leicht durch Elektronen angeregt werden, wie beispielsweise die in Fernsehröhren verwendeten Leuchtstoffe.
Und in welcher Beziehung stehen diese Phänomene zu anderen Naturereignissen?
Das Verständnis der Unterschiede zwischen Lumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszenz hilft auch, natürliche Phänomene zu verstehen, wie z. B. Zirruswolkenschichten und andere atmosphärische Phänomene. Dieses Wissen bereichert die Interpretation von Lichtspektren und der Wechselwirkung von Licht mit verschiedenen Materialien in unserer Umgebung und öffnet die Tür zu neuen wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen. Die Entdeckung, wie diese Phänomene entstehen und welche Bedingungen sie begünstigen, könnte für Fortschritte in Bereichen wie Mineralogie, Astronomie und Biomedizin von entscheidender Bedeutung sein.
